TW201145793A - Integrated motor drive and battery charging system - Google Patents

Description

201145793 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 【先前技術】 用於車輛之電動馬達及充電系統必須輕質、緻密且方 便。通常將感應馬達用於車輛。分離換流器充電系統係用 於自公用電源線（諸如220VAC壁式插座）對電池充電。 第1圖圖示先前技術感應馬達及電池充電系統丨〇 〇之簡 圖。疋子120具有與中性節點125相連接之γ型連接之三 組繞線120a、120b及120c。換流器1 50經連接於電池1 〇5 與繞線120a、120b及120c之間。通常，藉由控制器（第！ 圖中未圖示）來控制換流器150以將來自電池1〇5之直流 (direct current; DC)功率轉化至用於繞線 i2〇a、12〇b 及 12〇c 之交流（alternating current; AC)功率，以在轉子14〇上施加 扭矩。

在該系統1 00中，藉由連接至公用電源丨丨5之分離的AC 至DC充電器11〇來對電池1〇5充電。充電器u〇經連接 橫跨電池10 5。 使用此類系統，若經整合至車輛或由車輛單獨地攜帶， 則充電1§ 11 〇向車輛添加額外荷重。若與車輛分離，則在 方便性或及時性的充電情形下或在緊急狀況下需要充電器 110時，其可能不存在。 需要用於電動車輛之輕質且方便的充電系統。 201145793 【發明内容】 在-可能實施例中，提供了-種用於與一電池相連接之 馬達充電系統，該馬達充電系統具有轉子及定子。該定子 具有共同連接於一中性節點之γ型連接之繞線。一^流器 經連接於電池匯流排與該定子繞線之間。開關經連接於該 等繞線中以便能夠使該等繞線中之兩組繞線自該中性節點 斷開’且使該兩組繞線連接至一單相交流電源連接器。 在-替代實施例中，提供了一種用於與一電池相連接之 馬達充電系統，該馬達充電系統具有一轉子及一定子。該 定子具有delta H-橋連接繞線。豸deha H橋包括位於一側 之-換流ϋ及位於另-側之-切換構件，肖此同時各组繞 線經連接於換流器極開關與切換構件極開關之間。一交流 電源蜂經連接至該等繞線’以使得當該切換構件斷開時$ 交流電源埠經由該繞線及該換流器連接至該電池匯流排/ 各種實施例可包括相間變壓器。 【實施方式】 在各種實施例中，提供了㈣整合再充電之電池/馬達驅 動。馬達可為包括感應任意三相機器且為Dc無刷的 充電源可為單相、三相或DC ’使用任意電壓電平 使用使得峰值電壓小於電池電壓I之電壓位準。： 實施例中’可提供任何功率因數，包#丨及](反向力^ 流之單位功率因數)。各種實施例之某些優點包括：減:的 DC匯机排漣波電流、減小的相位漣波電流、去 觸器及去除了機器内部之繞線中性接合。”目立接 201145793 斷開的Y型配置（第2圖） 第2圖圖示用於單相γ型連接的定子繞線220之感應馬 達及電池充電系統2 0 0之簡圖。在該實施例中，藉由單相 公用電源2 1 5經由繞線220來對電池205充電。雙極開關 210經置放於Υ型連接繞線220電路以使繞線22〇a及22〇b 自中性節點斷開’且使繞線220a及220b經由任選的EMI 濾波器2 12連接至公用電源2 1 5。在斷開的Y型配置中， 繞線220a及220b用作充電電路中之感應器。藉由控制器

270來控制換流器250以轉換經由繞線220a及220b之AC 公用電源2 1 5。 在第2圖中’換流器250經由二極體連接的絕緣閘極雙 極性日日體管（Insulate Gate Bipolar Transistors; IGBTs)組 成’該等絕緣閘極雙極性晶體管藉由控制器270中之閘極 驅動器275控制。可能存在其他換流器電路。電流傳感器 222a及222b可連接至繞線220，以在充電期間感測繞線 220a及220b中之電流丨3及ib，且在馬達操作期間判定繞 線220a、220b及22〇c中之電流ia、ib及丨。。電流傳感器 202感測電池匯流排電流ibus。控制器27〇亦具有用於感測 橫跨電池205之電壓Vbat及公用電源2 1 5之電壓vab之傳 感器輸入。 在各種實施例中，控制器270監測公用電壓及繞線22〇 中之控制電流以追蹤AC電壓以便以單位功率因數而結 束。控制器270之另一功能為監測至電池2〇5之電流及電 池205電壓以調節進入電池2〇5之電流及/或在某些情況下 對其進行切換以調節進入電池205之電壓且減小進入電池 201145793 205之電流。 在充電期間，可鎖定轉子24〇或將其固定。在馬達操作 期間，切換開關21〇以便繞線22〇a、220b及220c為Y型 連接，從而將公用電源2 1 5與繞線220斷開。公用電源2【5 及任選地出現於某些實施例中之EMI濾波器212可與電路 2〇〇實體斷開。 斷開之delta H-橋配置（第3圖至第5圖） 第3圖圖不用於三相delta H-橋配置繞線450之感應馬 達及電池充電系統4〇〇之簡圖。在該實施例中，藉由三相 公用電源415經由繞線420來對電池405充電。 在馬達驅動模式中’對稱地操作開關450x及450y。在 再充電模式中開關45〇y保持斷開。 . 應瞭解，在各種實施例中可將公用電源4 1 5及出現於某 些實施例（未圖示）之再充電濾波器412插塞/未插塞於用 於充電/馬達驅動的電路4〇〇。因此，應該將再充電開關41〇 置放於與再充電埠414串聯。此舉提供了更多的安全性。 在再充電期間（或當在埠414處產生DC功率時）可使用 任選的再充電開關41〇經由任選的再充電濾波器412來連 接公用電源415。 斷開之delta H-橋配置之某些實施例之優點為，相位漣波 基頻為2f’且位於漣波/峰值調變電壓之峰值振幅等於^。 此I兄與習知的115形成對比。因此，某些繞線實施例中 之咼頻AC損耗減少了 3〇%。匯流排電容器4〇7上之基本 連波從2f增加至4f，且漣波幅度以2*sqrt3的因子減小。 在某些實施例中，可使用子相位及相間變壓器來替換各 201145793 開關45 0x以提供進一步的漣波衰減。此舉為某些實施例中 所希望的’以便減小再充電濾波器4丨2之尺寸。 第4圖圖示用於具有相間變壓器或平均變壓器之三相 delta H-橋配置的繞線520之感應馬達及電池充電系統5〇〇 之簡圖。使用該實施例，以用於馬達驅動之六步驟來操作 開關550y(用於再充電模式之三態斷開）。以用於馬達驅 動及再充電之脈寬調變來操作開關55〇χ。對於各子相而 言’其工作循環（duty cycle )長度均相同，但是相對於最 近的相鄰子相而言改變了 +/_ T/3。在馬達驅動模式中，與 電路400 (第3圖）相比較，馬達繞線52〇上之諧波電流 減小至1 /9且頻率增加3倍。由於諧波抵消之故，DC電壓 匯流排中之連波電流及損耗極低。因為電壓及電流接近正 弦，所以馬達損耗降至最低。另外，由於減少了普通模式 元件之故，CV2f損耗減少至零。 在再充電模式中’藉由相間變壓器525a_c之諧波抵消使 得最低諸波處於6f，並且電壓與第3圖之電路4〇〇相比較 減小至1/3。同時，與第3圖之電路4〇〇相比，針對給定電 壓漣波，電容濾波器5 1 3較減小至1/27。 另外，可將橫跨公用電源線之大約丨〇微法拉及i 〇〇微法 拉之相間電容器5 1 3添加以提供改良的諧波抵消。因此， 各種實施例具有之一大優點在於’其具有相對較低的漣波 及相對較小的濾波器電容。在馬達較大且定子電感h較小 之狀況下，尤其如此。 通常在各種實施例中，提供了用於連接至公用電源之埠 514 (未圖示於第5圖）。另外在某些實施例中’埠514可 201145793 用於向外部裴置（未圖示）提供AC功率。 儘官僅在第4圖所圖示之電路中，以六步驟來切換55〇y 同時正弦地脈寬調變（pulse width modulation; PWM)控制 550x以生成正弦相位電流’但可能存在其他實施例。舉例 而言，在其他實施例中550y可「反射」操作中的55〇χ， 在施加於各繞線上之電壓之基頻處而非在切換頻率處切換 550y ° 使用根據斷開的delta H-橋配置之各種實施例，再充電電 源額定值相對於三相γ型連接電路而言可能減小了 l/sqrt3。另一方面，益處在於，在大部分再充電能量將流 向之減小的功率處，磁性損耗極大地減少。隨著Δβ減小 了 l/(2*sqrt3)且f增加1倍，磁性損耗將減少至1/3以下。 在各種實施例中，經由繞線之充電可能會呈現問題，該 等問題包括介於繞線與馬達殼之間的電容。在該耦接中可 產生普通模式電流。一種解決方案在於，使馬達與車輛隔 離以預防在車輛框架上之可引起電擊危險電流。此解決方 案亦可包括不導電固定件及不導電電動機軸、或與不導電 固定件及不導電電動機軸相連接之耦接。在一個可能實施 例中，利用不導電馬達殼來減少電容性充電之堆積Y ^ 在某些實施例中’在充電期間’較佳為鎖定轉子以唯持 車辅不會無意地移動。因為在電動車輛中並非總存在有離 合器’可使用所以轉子鎖定_(未圖示）來鎖定轉子。 在其他實施：中’轉子可自定子退回，或在其他實施例中 轉子可自鼠籠之斷開連接退回，例如斷路的短路環。在另 一實施例中’可插人遮罩以阻塞自繞線至轉子之輕接，例 3 。 3 。201145793 如充電時插於轉子與定子之間的導體 使用經由單相馬達之繞線之充啻 、 通常在轉子上不存在 淨扭力而轉子將來回振堡。對於二κ 、一相馬達而言並非如此， 因為經由繞線之充電電流將在轉早 丁上產生不定向扭力。 第5圖圖示用於三相delta H-橋西;^ ¥ l 馉配置的繞線650之感應馬 達及電池充電系統600之簡圖。名夂& _ 在各種實施例中，除在埠 6Ma-c處提供AC功率之外，亦可在埠6i4(Dc谭⑽） 處提供DC功率。DC功率可用於提高再充電電源。儘管第 5圖中未圖示，但該實施例可包括相間變壓器525(第4圖)。 儘管各個實施例中並未圖示各個特徵，但各種實施例之 特徵可用於其他實施例，該等特微或办丨上^ ^ 竹傲為例如控制器、電容濾 波器、驅動器、傳感器等。另外 ^ 所圖不的各個特徵並非 為各個實施例所必需，應明確識別/各個特徵是否為任選 的0 應注意對「-個實施例」或「一實施例」之任何提及 意謂若希望則可將與實施例相結合的所述特別特徵、结構 ，特點包括於實施例。在說明中各處所出現之用語「在一 實施例中」並非一定皆涉及相同的實施例。 本文所提供之圖示及實例係用於說明之目的而非音欲 限制隨附申請專利範圍之㈣。本揭示案將視為本發明之 原理之例證而非意欲限制所圖示實施例之本發明及/或申 請專利範圍之精神及範疇。 熟習此項技術者將對本發明進行修改用於本發明之特別 應用。 本專利所包括之論述意欲用作基本說明。讀者應該瞭解 10 201145793 特定的論述可能並不能明確描述所有可能的實施例，且讀 =應該瞭解隱含的替代實施例。同時，本論述可能並不能 完全地闡釋本發明之—般性f且可能並不能明確地顯示各 特徵或各組件如何事實上可為代表性的組件或等效的組 件。此外，該等狀況隱含地包括於本揭示案。當以針對裝 :之術語說明本發明時’該裝置之各組件隱含地執行功 能。同時應瞭解在不脫離本發明之本質的情況下可進行各 種變化。此類變化亦隱含地包括於該描述中。料變化仍 屬於本發明之範_。 另外’本發明及申請專利範圍之各種組件中之各組件亦 可以各種方式達成。應理解本揭示案涵蓋此類各變化，此 類變化可為任何設備實施例之變體、方法實施例之變體或 甚至僅僅為該等實施例之任何組件之變體。特定言之，應 瞭解’因為本揭示案係關於本發明之組件，所以甚至只要 功能或結果㈣，則可藉由等效設備術語來表述各组件之 用詞。應該將此類等效、廣泛或甚至更一般之術語視為涵 蓋於各組件或各動作之描述巾。當希望將本專利所保護之 隱含覆蓋範圍表述明確時’可替換此類術語。應瞭解，所 有動作皆可作為用於採取彼動作之構件或作為導致彼動作 件來表$類似地，應該瞭解所揭示的各實體組件涵 蓋該等實體組件所促進之動作之揭示内容。應瞭解此類變 化及替代術語明確地包括於該描述中。 =結合若干實施例說明了本發明㈣習此項技術者無疑 對修改將有所瞭解。本文之示例性實施例並非意欲限制， 而且可能存在各種配置及特徵之組合。㈣，除非隨附之 201145793 申叫專利範圍有所要求，否則本發明並不限於所揭示之實 施例。 【圖式簡單說明】 參閱以上說明、隨附之申請專利範圜及附圖將更佳地瞭 解本發明之特徵及優點，在圖式中·· 第1圖圖示先前技術感應馬達及電池充電系統之簡圖； 第2圖圖示用於單相γ型連接的定子繞線之感應馬達及 電池充電系統之簡圖； 第3圖圖示用於三相delta H-橋配置的繞線之感應馬達 及電池充電系統之簡圖； 第4圖圖示用於具有相間變壓器之三相delta H-橋配置 的繞線之感應馬達及電池充電系統之簡圖；以及 第5圖圖示用於三相delta H-橋配置的繞線之感應馬達 及電池充電系統之簡圖。 12 201145793 【主要元件符號說明】 100 ： 感應馬達及電 池充電 系 統 110 ： 分離的AC至 DC充 電 器/充 電器 120b •繞線 125 ： 中性節點 140 ： 轉子 200 ： 感應馬達及電 池充電 系 統/電 路 210 ： 雙極開關 215 ： 公用電源 220a :繞線 220b .繞線 222a :電流傳感器 240 ： 轉子 270 ： 控制器 400 ： 感應馬達及電 池充電 系 統 410 ： 再充電開關 414 ： 再充電埠 420 ： 繞線 450x :開關 500 ： 感應馬達及電 池充電 系 統 514： 埠 105 :電池 11 5 :公用電源 120 :定子 120a :繞線 120c :繞線 150 :換流器 202 :電流傳感器 205 :電池 212 : EMI濾波器 220:單相Y型連接定子絶線 220c :繞線 222b :電流傳感器 250 :換流器 2 75 :柵驅動器 405 :電池 407 :匯流排電容器 4 1 2 :再充電濾波器 4 1 5 :公用電源 4 5 0 :三相（5 Η -橋配置繞線 450y :開關 5 13 :電容濾波器/相位間電 容器 520 :三相δ H-橋配置的繞線 /馬達繞線 525b :相間變壓器 13 201145793 525 :相間變壓器 5 2 5 a :相間變壓器 525c :相間變壓器 550y :開關 614 :埠 550χ ：開關 600 :感應馬達及電池充電系 統 614b ：埠 614d :埠 614a :埠 614c :埠 650 :三相δ H-橋配置的繞線 14

Claims (1)

1. 201145793 七、申請專利範圍： 1.一種用於一車輛的整合電源轉換系統，該整合馬達 電源轉換系統包含： a) —轉子； b) 一疋子，其包含：共同連接於一 _性節點之繞線； c) 一換流器，其連接於一電池匯流排與該等繞線之間； d) 單相交流（A/C)電源連接器；以及 e) 開關，其連接於該等繞線中以便能夠使該等繞線中 =兩組繞線自該中性節點斷開，且使該兩組繞線連接至該 單相交流（A/C )電源連接器。 2.如咕求項1所述之系統，進一步包含··用以抑制轉 子在再充電期間移動之一構件。 3‘如請求項2所述之系統’其中^抑制轉子移動 該構件包含 之 轉子阻塞機構。 6.如請來 項1 2所述之m中該轉子為包含短路環 5·如請求項2所述之系統，其 該構件包含： 用以使該轉子斷路之—構件 用以抑制轉子移動之 15 1 .如請求項2所述之系統，盆 該構件 ， ，、中用以抑制轉子移動之 2 構件包各.用以使該轉子自該定子内退回之—構件。 201145793 之一鼠籠轉子 用以使該等短 ’且其中用 路環斷路之 以抑制轉子移動之該構件包含 ~構件。 <糸絲 該構件包含：用^ 用以抑制該定子 8 ·如請求項7所 7 ’所述之系統 轉子之間耦接之該構件包含： 一遮罩。 '其中用以抑制轉子移動之 s玄轉子之間輕接之一構件。 ’其中用以抑制該定子與該 介於該定子與該轉子之間的 其中用以抑制該定子與該 導電套管。 9·如請求項7所述之系統， 轉子之間搞接之該構件包含：一 10.-種用於-車輛的整合電源轉換系統，該整合電源 轉換系統包含： a) —轉子； b) —定子，其包含：共同連接於一令性節點之繞 線； c) 一換流器，其介於一電池匯流排與該定子之間； d) —交流（A/C)電源連接器； e) 開關，其連接於該等繞線中以便能夠使該等繞 線自該中性節點斷開，且使該兩組繞線連接至用於經由該 繞線之電池充電的該交流（A/C )電源連接器；以及 f) 一馬達忒構件，其用於在電池充電期間藉由該 16 201145793 馬達抑制該車輛之電容性充電 該馬達殼包 如請求項1G所述 <系統，其中用於抑制該車輛之 電谷性充電之該馬達殼構件包含：一馬達殼， 含：一不導電材料。 12.如請求項1G所述之系統，其中用於抑制該車輛: 電容性充電之該馬達殼構件包含：―不導電的馬達固定件 導電 13.如請求項10所述之系統，進一步包含：一 的轉子軸。 14.如請求項1〇所述之 丰6人 、糸統，進一步包含：一不導電 的轉子轴耦接。 整合電源轉換系統，該整合電 15. —種用於一車輛的 源轉換系統包含： a) —轉子； d e 11 a Η -橋連接的繞線，該 b) 一定子’其包含： delta H-橋連接的繞線包含： 。才奐流态’其包含：-第-套多個開關對， 该第一套多個開關對橫跨— 略^ Λ Λ 、 電池匯流排連接’各繞線之一 第一末細經連接於一各別 1別開關野之間；以及 d)—第二套多伽 1固開關對，該第二套多個開關 I7 201145793 對橫跨與該第—套開關並聯 ._ ^ Λ電池匯流排連接，各繞線 一第二末端經連接於一各別開關對之間；以及 C) 一交流（A/C )電源埠， _ . ^ 其連接至各繞線之該第 —禾 〇 16.如請求項15所述之系 ^ ^ Λ ^ ^ ，兄進一步包含：連接於該 等為線與該換流器之間的相間變壓器。 17:如請求項15所述之系統進一步包含：連接至該 電池匯流排之一直流電源埠。 電 18. —種整合馬達及電 池充電系統包含： 池充電系統’該整合馬達及 a)—轉子； ,, …定子’其包含：―心H-橋連接的繞線，該 delta H-橋連接的繞線包含： 0一換流器； 、 U)一切換構件，其橫跨與該換流器並聯之該 電池匯流排連接；以及 lH)該等繞線，其經連接於該換流器與該切換 構件之間；以及 交流（A/C)電源埠，其連接至該等繞線，以 使得當該切換構件為斷路時，該交流（a/c)電源埠智由該 等繞線及該換流器連接至該電池匯流排。 201145793 1 9.如請求項1 8所述之系統，進一步包含：連接於該 等繞線與該換流器之間的相間變壓器。 20.如請求項1 8所述之系統，進一步包含：連接至該 電池匯流排之一直流電源埠。 2 1.如請求項1 8所述之系統，其中各繞線經連接於該 換流器之極開關與該切換構件之極開關之間。 19